景步軍

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210001）

0 引言

現(xiàn)有的舊水泥路面脫空檢測方法較為落后，為了尋找精準、先進的檢測方法，本文擬通過研究，解決高速公路舊水泥路面脫空檢測方法和定量判別標準的確定。通過路面彎沉檢測設備 FWD、聲振法脫空檢測儀等設備，采集了舊水泥混凝土板的脫空位置的大量實測數(shù)據(jù)，對于檢測出的脫空板進行了灌漿處理，通過對試驗路的檢測取得了滿意的效果，取得了一些可以借鑒的成果，明確了板下脫空的檢測方法和判定標準。

1 概述

京珠國道主干線粵境高速公路甘塘至太和段，全長 199.3 km。自 2001 年建成通車以來，京珠高速公路對區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展起了很大的推動作用，是廣東省公路運輸?shù)拇髣用}。經(jīng)濟的快速發(fā)展拉動了交通量的迅猛增長，現(xiàn)有道路的通行和服務水平已不能滿足交通運營需求。對京珠高速公路曲江至北興段擴建迫在眉睫，大量重載車輛的增加，造成路面出現(xiàn)嚴重的破壞，罩面勢在必行。

本標段起點京珠北 K109＋292，終點 K151＋000，全長 42.788 km，為水泥混凝土路面，設計車速 100 km/h，原路的路面結(jié)構(gòu)設計如表 1 所示。

瀝青加鋪前對舊路的評價和定性十分必要。對舊水泥混凝土路面病害處理妥當與否，將關(guān)系到新增加鋪層路面的使用性能和將來的使用壽命。因此，有必要對舊路進行準確的評價并給出合理的處理方案。由于每條公路所處的地形、地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)和水溫狀況等條件的不同，每條路都有自己的特點，處理之前應該選擇具有代表性的典型路段作為本次的檢測路段。本段試驗路的樁號為：K121＋900－K121+400 北行的一個主車道。

2 技術(shù)要求

加鋪前對舊水泥混凝土板進行一個細致而全面的修補是一項十分關(guān)鍵的內(nèi)容，目前我國 JTJ 073.1－2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》［1］全面涵蓋了這方面內(nèi)容，主要可概括為以下幾點措施。

1）對嚴重破碎板塊必須進行換板處理，用施工機械沖擊裝置將破碎板敲碎，移除破碎板，用 C15 或 C20 等素混凝土對路面基層加以補強，再澆筑標號不低于 C30 的混凝土板塊。

2）脫空板塊。若板塊邊角有唧泥現(xiàn)象，可以認為該板塊存在脫空現(xiàn)象，或通過檢測認定該板塊的彎沉值＞ 0.2 mm，也可認為該板塊存在脫空現(xiàn)象。對脫空板實施灌漿處理，灌漿后仍以彎沉作為主要控制指標。

3）裂縫處理。對寬度＜ 3 mm 的輕微裂縫，可采用灌漿法；對貫穿整個板厚＞ 3 mm ＜ 25 mm 的中等裂縫，可采用條帶罩面法進行補縫；對寬度＞25 mm 嚴重裂縫則必須采用全深度法進行補強板塊。

4）板邊板角處理。當水泥混凝土板邊、板角輕度剝落時，用灌縫材料修補平整；嚴重剝落時，用切割機將剝落部分切割成 5～7 cm 槽，按中等裂縫的處理方法處理；全深度破碎時，按嚴重裂縫方式處理。

5）對于錯臺可采用磨平或填補法處理。

6）對以上各種形式進行處理后，即可進行灌縫處理、灌縫必須在充分吹凈松動及浮土、干燥時灌入（特別要避免雨后作業(yè)）。

以上只是對舊混凝土路面病害處理的一般性總結(jié)，處理標準適用于路面養(yǎng)護。對于加鋪層的前期舊路處理，有些處理方法應該適當調(diào)整。其中，板底脫空狀況是眾多病害中最難處理的一種，究其成因主要涉及病害的形成及自身特點等一些內(nèi)在因素；科技發(fā)展水平、檢測手段、處理技術(shù)是制約問題解決的外部因素。

表1 舊水泥混凝土路段結(jié)構(gòu)層

現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測方法很多［2］，然而對于檢測水泥混凝土路面脫空的方法屈指可數(shù)且不能統(tǒng)一。其中人工敲擊混凝土路面聽聲法其主觀因素較強，測試精準度也不高。為此，希望找到準確度較高、造價低廉、測試速度快、實用性和可操作性較強的檢測方法。本文試驗路采用了多種方法的聯(lián)合檢測。目的是希望通過各方法之間相互驗證、板塊的灌漿量、雨后鉆孔觀察洞內(nèi)積水狀況、板塊接縫唧泥狀況、重車過后板松動情況等多種手段加以考證，最后得出一種準確度高、造價低廉、測試速度快、實用性和可操作性強的檢測方法。本次擬采用落錘式彎沉儀（FWD）、聲振檢測兩種測試方法。其中落錘式彎沉儀（FWD）檢測得到的數(shù)據(jù)，通過兩種算法進行板底脫空判斷。

3 板底脫空檢測方法比選

3.1 FWD 截距法

落錘式彎沉儀（FWD）測試水泥混凝土路面板底脫空的方法較多，其中截距值法是其中一種［3］。首先利用 FWD 測試水泥混凝土路面板角彎沉，并對同一測點施加分級荷載，然后采用荷載板中心的彎沉與對應的分級荷載繪出荷載作用下的彎沉盆，按照線性回歸統(tǒng)計方法計算出回歸直線方程，通過回歸直線的截距來判定脫空情況，若測點的線性回歸截距值＞50μm 即可判定板底存在脫空，否則認為板底不存在脫空。

3.2 聲振法

聲振檢測是利用敲擊測試件產(chǎn)生機械振動，測試其振動的聲學特征加以判斷的技術(shù)。敲擊法是一種操作簡便、易于實施、成本低的方法。落錘以一固定高度做自由落體運動敲擊剛性路面而發(fā)出聲響，通過傳感器收集聲音信號，然后將提取的聲信號頻域特征，再輸入神經(jīng)網(wǎng)絡判定路面是否脫空。

3.3 路面聲譜特征提取

在對激振聲信號進行判別時，可將信號的頻譜特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，提取出與脫空相關(guān)的信息量。雖然可以將剛性路面的聲譜特征用作神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，但不可以直接輸入全部頻譜，應該將環(huán)境噪聲進行濾波處理，為了減少大量的網(wǎng)絡輸入還要對特征模式進行降維表達，減少神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練時間。

為了簡化神經(jīng)網(wǎng)絡，在特征提取中，將全部頻率范圍分為幾個頻段，根據(jù)實驗結(jié)果分析，將第一組頻段分為 5 500～6 500 kHz，1 000～5 500 kHz，500～1 000 kHz，l～500 Hz 共 4 個頻段，依次定義為α、β、γ和δ。決策融合網(wǎng)絡輸出依次為α、β、γ和δ。由頻譜分析理論，頻率上占有較強的部分為信號的峰值頻率。因此，提取這 4 個頻段內(nèi)頻譜的最大峰值和相應的峰值頻率可以作為一組特征量，共有 8 個特征量。將第二組頻段可以分為 510～615 kHz、1～1 kHz 兩個頻段，因為剛性路面聲信號在這兩個頻段內(nèi)占有絕大部分信號能量，信號較集中。頻譜下方的面積能夠反映聲的能量，剛性路面脫空狀態(tài)與聲波的吸收密切相關(guān)，在用同樣力度對剛性路面進行敲擊下，這兩個頻段內(nèi)聲的能量分布特征可以用該特征量反映。而頻譜的方差表示頻譜的變化起伏多少，在統(tǒng)計意義上反映頻譜的幅度。在第二組頻段內(nèi)共有 4 個特征量。所提取總的特征量數(shù)目一共 12 個，用其作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入。集成神經(jīng)網(wǎng)絡的剛性路面脫空聲譜識別分析可以用 2 個子神經(jīng)網(wǎng)絡進行分析。

3.4 路面脫空聲音神經(jīng)網(wǎng)絡識別模型

單一網(wǎng)絡對結(jié)構(gòu)缺陷進行識別分類中所難以解決的問題可以采用基于信息融合技術(shù)的集成神經(jīng)網(wǎng)絡對工程結(jié)構(gòu)進行缺陷識別解決，這樣得出的結(jié)果更加全面準確。實踐證明采用敲擊檢測方法和利用集成神經(jīng)網(wǎng)絡能夠?qū)傂月访媾c基層的接觸狀況能夠得出較為令人滿意的判定結(jié)果。

基于多次試驗得出了板底脫空標準：最大峰值對應的頻率為 l～500 時為板底脫空；最大峰值對應的頻率為 500～1 000 時板底為弱性支撐；最大峰值對應的頻率為 1 000～6 500 時板底未脫空。試驗路共計 101 塊板，設計文件規(guī)定裂縫板做換板處理，因此檢測的時候聲振法對此類板未作檢測，F(xiàn)WD 除了檢測脫空還要進行承載力檢測，故對所有的板進行了檢測，其中聲振法未做檢測的帶裂縫的板共 37 塊板 51 處。

3.5 幾種檢測方法的驗證

以上僅對幾種檢測方法進行了簡單的羅列，其實每種檢測方法都有各自不同的特點。但是每種檢測方法的檢測效果如何，目前尚未有統(tǒng)一的定論。對于大面積施工的單位，肯定希望知道何種檢測方法能快速、準確、方便、經(jīng)濟地檢測出路面中脫空的板塊。因此要找到一種方法，能對目前幾種檢測方法的測試效果進行驗證。

本文列出了共 67 塊板的檢測結(jié)果，以及每個孔的注漿情況、相鄰孔之間的連通情況。其中有 64 塊板應用聲振法進行了測試，脫空點一共有 84 處，分布于 44 塊上。對所有板靠近路肩主車道的 2 個板角利用 FWD 進行了脫空檢測，其中共檢測出脫空點 50 處，分布在 41 塊板上。

通過以上結(jié)果還可以看出二者重合的板塊僅有 25 塊。說明兩種檢測方法一致程度不高。因此為了驗證到底哪種檢測方法與實際脫空板情況更加符合，需要尋找另一種方法來驗證。從工程經(jīng)驗看，脫空板的驗證較為困難，人工無法直接看到板底脫空，雖然可以用切縫的方法觀察脫空情況，但也難以確定具體脫空板塊。該標段當時正進行加寬擴建處理，一處切開的路肩可以觀察脫空狀況，如圖 1 所示。

圖1 切板的側(cè)面為雨后路面脫空情況

圖 1 中的各結(jié)構(gòu)層結(jié)合還是很緊密的，但距離接縫不遠處基層與面層之間也有被水浸濕的現(xiàn)象，說明此版塊也存在脫空情況。因此，用切板的方法很難直接準確驗證脫空情況。通過觀察脫空處的浸濕現(xiàn)象，可以想到能否通過灌漿的方法驗證脫空檢測結(jié)果。但也會面臨一個問題：如何確定一個孔灌注漿液數(shù)量的多少來確定板底有脫空現(xiàn)象發(fā)生。為了獲取這一數(shù)量的大小，在聲振法和 FWD 檢測出的板塊進行了隨機鉆芯取樣。

脫空板底注漿層的厚度通過鉆芯取樣測量后，最薄的注漿層厚度為 2～4 mm，最厚的注漿層為 13 mm。如圖 2 所示。

圖2 鉆芯取樣觀察注漿層厚度

從取芯情況看，可作如下猜想：假如板底脫空，注漿層厚度平均為 3 mm。圖 2 是四分之一板塊內(nèi)距離注漿孔遠近不同的芯樣，通過觀察漿液在芯樣上的痕跡，從圖中可以看出注漿層分布較為均勻。因此，可以做如下假設。

1）單孔的注漿影響范圍為四分之一板塊，若板底脫空，單孔注漿量應大于等于5×4.25÷4×0.003=0.015 m3，相當于桶中高差 6 cm（桶直徑為 55 cm），即可認為該板為脫空板。

2）若此孔同其他的孔相連，從該孔注漿而其他孔出現(xiàn)冒漿的情況，則該板存在脫空板，如圖 3 所示。

圖3 假設示意圖

通過上述假設檢測所有完好的注漿板塊，通過計算得出共有 51 塊板的單孔注漿量＞ 0.015 m3，具體如表 2 所示。

根據(jù)表 2，注漿量≥ 0.015 m3的板塊共計有 51 塊板，其中聲振法未檢測出的板塊共 11 塊；有 40 塊板通過聲振法檢測出來。利用以上的統(tǒng)計數(shù)字就可以計算檢測方法的識別率、漏判率、準確率以及誤判率。

表2 驗證結(jié)果

識別率為脫空數(shù)占總體樣本數(shù)的比率。實際上聲振法檢測從總體樣本 51 塊中檢測出 40 塊，識別率應為 40÷51×100 %=78.4 %。

漏判率為一種檢測方法未從整體樣本中檢測出來的板塊數(shù)占總體樣本的比率。試驗路注漿量大于 0.015 m3的板塊 51 塊板，而聲振法未檢測出來的板塊共為 11 塊，故漏判率為 11÷51×100 %＝21.6 %。

準確率為同一種方法檢測出的實際脫空板塊數(shù)占該方法檢測出總板數(shù)的比率。從以上的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，聲振法共檢測 47 塊板為脫空板，通過驗證實際上有 40 塊板為實際脫空板塊，故聲振法檢測脫空的準確率為：40÷47×100 %=85.11 %。

誤判率為同一種方法檢測為脫空板，而實際上不是脫空的板塊數(shù)占檢測出總板塊數(shù)的比率。聲振法檢測為脫空，而實際注漿量＜0.015 m3的板塊及未連通的板塊共有 7 塊板占 47 塊板的 14.89 %。

使用相同的驗證方法可以驗證出由注漿量驗證為脫空的板塊有 80 塊板，其中有 15 塊其脫空的位置在主車道靠近超車道的一側(cè)，而本次 FWD 檢測基于交通組織安全的原因并未對該側(cè)板角進行檢測，故計算截距法統(tǒng)計數(shù)據(jù)時脫空板總數(shù)應為 65 塊。FWD 對所有板靠近路肩主車道的 2 個板角進行了脫空檢測，其中共檢測出脫空點 55 個，分布在 43 塊板上，其中有 9 塊板需要進行換板處理不需注漿，故需要驗證的板有 34 塊板，截距法能夠識別出來的板塊有 31 塊板。

故截距法識別率為 31/65＝47.7 %；漏判率為 34/65=52.3 %。而截距法判斷為脫空的板塊除了上述識別出來的 31 塊板外，尚有 3 塊板截距法判斷為脫空板而根據(jù)注漿量判斷卻不為脫空的板。故截距法的準確率為 31/34＝91.2 %，誤判率為 3/34=8.8 %。聲振法檢測準確率、誤判率、識別率以及漏判率的關(guān)系如圖 4 所示。

圖4 聲振法檢測識別率等關(guān)系圖

4 結(jié)果匯總

通過使用每孔注漿量的方式對幾種脫空檢測方法的驗證得到如下結(jié)論。

1）聲振法檢測脫空識別率為 78.4 %；漏判率為 21.6 %；準確率為 85.11 %；誤判率 14.89 %。

2）FWD 截距法的識別率為 47.7 %；漏判率為 52.3 %；準確率為 91.2 %；誤判率為 8.8 %。

通過參考設計文件和試驗路的研究得出灌漿的基本原則。

1）灌漿的前提是水泥混凝土板是完好的（原設計規(guī)定有裂縫的板均需換板，試驗路采用的是養(yǎng)護規(guī)范換板的原則）；

2）灌漿的對象是脫空板和下沉板；

3）深層灌漿對象為下沉板以及脫空板板中彎沉值大于等于相同地質(zhì)段整體平均板中彎沉值 3 倍的板塊；

4）其余的脫空板塊為淺層注漿。

5 結(jié)論

通過本文研究，重點解決了高速公路舊水泥路面脫空檢測方法和定量判別標準的確定以及灌漿材料設計和施工工藝探索等方面的課題。研究中采用了目前國際上最先進的路面彎沉檢測設備 FWD、聲振法脫空檢測儀等設備，采集了舊水泥混凝土板的脫空位置的大量實測數(shù)據(jù)，對于檢測出的脫空板進行了灌漿處理，通過對試驗路的檢測取得了滿意的效果。取得了一些可以借鑒的成果，明確了板下脫空的檢測方法和判定標準。